一種交直流無延時切換裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及供電設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種交直流無延時切換裝置，包括交流輸入端、直流輸入端、總輸出端和測量控制單元。直流輸入端的正、負輸入端分別通過一個單向可控硅與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接；交流輸入端的第一輸入端、第二輸入端分別通過一個雙向可控硅與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接。測量控制單元根據(jù)交直流即時電壓判斷切換時間，控可控硅導(dǎo)通與斷開完成切換。本實用新型采用了無切換時間的靜態(tài)切換技術(shù)，避免了物理切換時的瞬間斷電間隙和物理觸點拉弧現(xiàn)象；所述技術(shù)方案采用了少量的電子元器件，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種交直流無延時切換裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于供電設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及雙路供電系統(tǒng)的切換技術(shù)，具體是交流供電和高壓直流供電之間無延時靜態(tài)的切換技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著高壓直流(HVDC)供電系統(tǒng)的普及與應(yīng)用，直流供電應(yīng)用在各個領(lǐng)域。雖然高壓直流供電具有很高的可靠性，但是在蓄電池電力即將耗盡時或直流供電設(shè)備檢修時，在有其他后備交流電源存在的情況，需要將直流供電切換至后備交流供電。在高壓直流恢復(fù)供電或檢修完成時，又需將后備交流供電切換至高壓直流供電。對于核心而敏感的用電設(shè)備而言，高壓直流與交流之間的切換必須是無切換時間，而且具有很高的可靠性要求。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中為解決高壓直流和交流之間的切換，通常利用繼電器來實現(xiàn)切換，雖然利用繼電器成本低、電路簡單容易實現(xiàn)，但帶有物理觸點的繼電器是線圈通電與斷電來控制物理觸點的吸合和分斷的，響應(yīng)速度有限，通常都超過10毫秒，無法滿足無切換時間的要求。同時現(xiàn)有的普通繼電器應(yīng)用于直流通斷時，其分斷能力大大降低，容易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，而且分斷電壓大大降低，通常低于100V以下。所以普通繼電器無法應(yīng)用在高壓直流(DC200V?DC290V)的大功率切換。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的空缺和不足，本實用新型提出如何解決高壓直流與交流供電之間的切換，同時要滿足高可靠性和無切換時間的要求的解決方案。
[0005]為解決上述問題，本實用新型提供了一種交直流無延時切換裝置，包括:直流輸入端、交流輸入端、總輸出端、檢測控制單元。直流輸入端的正、負輸入端分別通過一個單向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接。交流輸入端的第一輸入端、第二輸入端分別通過一個雙向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接。
[0006]檢測控制單元包括交流電壓檢測電路、直流電壓檢測電路、切換控制電路、以及控制器。所述交流電壓檢測電路的輸入端接交流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測交流實時電壓并將信號傳輸給控制器。直流電壓檢測電路的輸入端接直流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測直流實時電壓并將信號傳輸給控制器?？刂破餍盘栞敵鼋涌诮忧袚Q控制電路，切換控制電路六個控制信號輸出端分別接交流線路中兩個雙向可控硅的四個控制極和直流線路中兩個單向可控硅的兩個控制極。
[0007]上述裝置在使用時，當(dāng)需要直流切換交流，控制器首先輸出信號到切換控制電路，撤銷直流供電線路中的兩個單向可控硅控制極電壓；然后，在交流輸入端電壓上升轉(zhuǎn)正之后，下降至與直流輸入端電壓相等之前，輸出信號到切換控制電路，加載交流供電線路中的兩個雙向可控硅正向?qū)刂茦O電壓；在交流輸入端電壓上升至與直流輸入端電壓相等之后，轉(zhuǎn)負之前，且雙向可控硅正向?qū)刂茦O電壓加載之后，輸出信號到切換控制電路，力口載交流供電線路中的兩個雙向可控硅反向?qū)刂茦O電壓的指令；當(dāng)需要交流切換直流，控制器在交流輸入端電壓轉(zhuǎn)正之后，轉(zhuǎn)負之前，輸出信號到切換控制電路，撤銷交流供電線路中的兩個雙向可控硅正向?qū)刂茦O電壓和反向?qū)刂茦O電壓；在雙向可控硅反向?qū)刂茦O電壓撤銷后，交流輸入端電壓轉(zhuǎn)負之前，輸出信號到切換控制電路，加載直流供電線路中的兩個單向可控硅控制極電壓的指令。
[0008]本實用新型利用可控硅接通或斷開供電線路，在實現(xiàn)無延時的同時，又充分保證了切換系統(tǒng)的高安全可靠性。
[0009]在本實用新型上述裝置中，每個所述雙向可控硅可以由一對單向可控硅代替，一對中的兩個單向可控硅相互并聯(lián)且連接方向相反；即，一對中的一個單向可控硅陽極接交流電源輸入端，陰極接系統(tǒng)輸出端，另一個單向可控硅陰極接交流電源輸入端，陽極接系統(tǒng)輸出端。
[0010]由一對單向可控硅代替雙向可控制硅后，前述裝置演變?yōu)?
[0011]一種交直流無延時切換裝置，包括:直流輸入端、交流輸入端、總輸出端、檢測控制單元；
[0012]直流輸入端的正、負輸入端分別通過一個單向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接。交流輸入端的第一輸入端通過一對反向并聯(lián)的單向可控娃連接到總輸出端的第一輸出端，交流輸入端的第二輸入端通過另一對反向并聯(lián)的單向可控硅連接到總輸出端的第二輸出端。
[0013]檢測控制單元包括交流電壓檢測電路、直流電壓檢測電路、切換控制電路、以及控制器。所述交流電壓檢測電路的輸入端接交流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測交流實時電壓并將信號傳輸給控制器。直流電壓檢測電路的輸入端接直流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測直流實時電壓并將信號傳輸給控制器?？刂破餍盘栞敵鼋涌诮忧袚Q控制電路，切換控制電路六個控制信號輸出端分別接交流線路中四個單向可控硅和直流線路中兩個單向可控硅的六個控制極。
[0014]在本實用新型的裝置中，所述雙向可控硅和單向可控硅的選擇必須大于系統(tǒng)供電的負荷電流，其斷態(tài)峰值耐壓必須大于系統(tǒng)供電的峰值電壓。
[0015]所述交流電壓檢測電路和直流電壓檢測電路共地連接。為確保電壓檢測的實時性，同時也不影響交流供電和直流供電的安全性，直流電壓檢測需要隔離檢測。
[0016]所述切換控制電路包括用于可控硅控制的隔離電源和信號處理電路，其中信號處理電路與交流電源和直流電源之間為電氣隔離。由于可控硅的陰極與控制電源的負極相連，而交直流電源的通斷控制是兩極同時通斷的，所以兩極的可控硅的控制電源必須是隔離的。同時交直流輸入端的可控硅之間的控制電源也必須是相對隔離的。具體地說，交流線路中的兩個雙向可控硅的控制電源相互電氣隔離；同時交流線路中的可控硅控制電源與直流線路中的可控硅控制電源相互電氣隔離。
[0017]本實用新型所述裝置尤其適用于AC100V?AC220V交流電源和DC200V?DC290V直流電源之間的切換。
[0018]本實用新型中，交流輸入端電壓是指:交流輸入端中與直流正輸入端接到同一總輸出端的輸入端相對于另一輸入端的電壓。正向?qū)ㄊ侵?電流從與直流正輸入端接到同一總輸出端的交流輸入端經(jīng)負載至另一交流輸入端的導(dǎo)通。此時，交流輸入端電壓處在正半周。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1可控硅的原理圖。
[0020]圖2為本實用新型一個優(yōu)選實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為直流切換至交流過程的電壓變化示意圖。
[0022]圖4為交流切換至直流過程的電壓變化示意圖。

【具體實施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖，以舉例的方式對本實用新型優(yōu)選方案進行進一步詳細說明。
[0024]為能更好地理解本實用新型的系統(tǒng)工作原理，首先結(jié)合附圖1詳細的描述可控硅的工作原理和特性?？煽毓枋且环N具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，不僅用于整流，還可以用于無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路?？煽毓杈哂幸韵绿匦?(I)控制極(Gl)無電壓時，可控硅雙向成為斷態(tài)(電阻很大);(2)控制極(Gl)加正向控制電壓(觸發(fā)電流約10mA)時，可控硅變?yōu)橥☉B(tài)；(3)通態(tài)時電流只要大于觸發(fā)電流，即可維持可控硅通態(tài)；(4)通態(tài)時，可控硅具有二極管特性，即反向截止?？煽毓璺譃閱蜗蚩煽毓韬碗p向可控硅兩種，都是三個電極。單向可控硅有陰極(K)、陽極(A)、控制極(G)。雙向可控硅等效于兩只單項可控硅反向并聯(lián)而成。
[0025]附圖2所示中，基本完整了描述了裝置應(yīng)有的特征，為本實用新型的一種優(yōu)選實施例。本實施例中包括了交流輸入、直流輸入、交直流電壓檢測、用于交直流切換的可控硅、切換控制電路和測量控制用MCU。交流輸入電壓檢測包括串聯(lián)在兩上交流輸入端之間的分壓電阻Rl和分壓電阻R2，R2的分壓信號連接到電壓信號處理部分的交流電壓信號的輸入端，通過電壓跟隨電路，將R2的電壓信號送至測量MCU，將交流電壓的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。直流輸入電壓檢測包括串聯(lián)在正輸入端和負輸入端之間的分壓電阻R3和分壓電阻R4，R4分壓信號連接到電壓信號處理部分的直流電壓信號輸入端，通過線性光電隔離電路，將直流電壓模擬信號送至測量控制MCU計算處理，計算出實時的直流電壓。交流切換可控硅包括兩個雙向可控硅SRl和SR2，可控硅SRl控制交流的火(L)線的通斷，可控硅SR2控制交流的零(N)線的通斷。直流切換可控硅包括兩個單向可控硅SR3和SR4，可控硅SR3的陽極(A)與直流正(P )極的輸入端相連接，SR3的陰極(K)與直流正(P )極的輸出端相連接，用于控制直流正(P)極的通斷?？煽毓鑃R4的連接與可控硅SR3的連接方法相反，SR4的陰(K)極與直流負(N)極的輸入端相連接，SR4的陽(A)極與直流負(N)極的輸出端相連接，用于控制直流負(N)極的通斷。可控硅的控制(G)極與控制電源之間串有一限流電阻，限制可控硅的開啟電流。雙向可控硅SRl的兩個控制(G)極分別與限流電阻R5和限流電阻R6相連接，限流電阻R5和R6再分別與隔離電源DCl和DC2輸出端的正(+ )極相連接，隔離電源DCl和DC2輸出端的負(_)極與交流火(L)線相連接。雙向可控硅SR2的兩個控制(G)極分別與限流電阻R7和限流電阻R8相連接，限流電阻R7和R8再與隔離電源DC3和DC4的輸出端的正(+ )相連接，隔離電源DC3和DC4輸出端的負(-)極與交流零(N)線相連接。單向可控硅SR3的控制(G)與限流電阻R9相連接，經(jīng)過R9再與隔離電源DC5輸出端的正(+ )極相連接，隔離電源DC5輸出端的負(_)極與SR3的陰(K)極相連接。單相可控硅SR4的控制(G)極與限流電阻RlO相連接，經(jīng)過RlO再與隔離電源DC6輸出端的正(+ )極相連接，隔離電源DC6輸出端的負(_)極與SR4的陰(K)極相連接。實施例中的隔離電源與控制信號處理部分包括多個(6或4)隔離電源和MCU控制信號與隔離電源的電氣隔離器件。由于交流火(L)線和直流正(+ )極的輸出短相連，等效于將隔離電源DC2和隔離電源DC5的電源共地，所以隔離電源DC2和隔離電源DC5可用同一個隔離電源，同樣交流零(N)線和直流負(_)極的輸出端相連，等效于將隔離電源DC4和隔離電源DC6共地，所以可以用同一個隔離電源，以減少成本。MCU控制信號與隔離電源的電氣隔離器件可選用光耦隔離或繼電器隔離，本實用新型的實施例中采用光耦隔離。
[0026]以上所述了本實用新型的實施例中的系統(tǒng)組成和技術(shù)特征，下面再結(jié)合附圖詳細描述裝置的工作原理和技術(shù)要點。
[0027]附圖3所示是直流電源切換至交流電源的過程。首先裝置工作于直流供電，直流電源回路中的單相可控硅處于通態(tài)。由于某種需要切換至交流供電，裝置在接收到直流供電切換至交流供電的指令，裝置只需將關(guān)斷直流電源的可控硅的控制(G)極電壓，開啟交流電源的可控硅控制(G)極電壓。但是可控硅有一個特性就是在有負載電流的情況下，即使關(guān)斷可控硅控制(G)極電壓，也不能分斷可控硅。但是另一個特性為可控硅的陰(K)極電壓高于陽(A)極電壓，即可分斷可控硅。本實用新型就是利用可控硅這兩個特性實現(xiàn)無延時的靜態(tài)切換的。
[0028]根據(jù)可控硅的特性分析可得知，在時間t(Tt2之間任一時刻tl時關(guān)斷直流電路回路中可控硅SR3和SR4的控制電壓DC5和DC6，同時開啟交流回路中可控硅SRl和SR2的正向控制電壓DC2和DC3，在時間t2?t4之間任一時刻t3開啟交流回路中雙向可控硅SRl和SR2的反向控制電壓DCl和DC4，使之為雙向?qū)ǖ耐☉B(tài)。在時間t(Tt4之間，交流電壓處于正弦波變化正半周期階段，當(dāng)在t2時刻交流電壓值大于直流電壓值，真正關(guān)斷了直流回路中單向可控硅SR3。由于直流回路中沒有了電流，無法維持直流回路中負(_)極的單向可控硅SR4的通態(tài)，成為斷態(tài)。至此完成了直流供電切換至交流供電的過程。
[0029]附圖4所示是交流電源切換至直流電源的過程。首先裝置工作于交流供電，可控硅SRl和SR2處于通態(tài)，可控硅SR3和SR4處于斷態(tài)。在裝置接收到要切換至直流供電的指令，通過分析可控硅的特性，可知在時間t3之間的任一時刻關(guān)斷交流回路中可控硅SRl和SR2的控制電壓DCf DC4，同時開啟直流回路中可控硅SR3和SR4的控制電壓DC5和DC6。由于此時交流電壓處于正弦變化正半周期，交流電壓大于直流電壓。在t2時刻同時關(guān)斷控制電壓DCf DC4，雙向可控硅的反向部分立即變?yōu)閿鄳B(tài)，但正向部分仍為通態(tài)，有工作電流，為負載供電。隨著時間推移至t3時刻以后，交流回路中雙向可控硅SRl和SR2的正向部分的陰(K)極電壓為直流電壓，高于陽(A)極電壓，正向部分被關(guān)斷。直流電源隨即為負載提供電力，至此完成了交流電源切換至直流電源的過程。
[0030]雖然以上結(jié)合本實用新型實施例對本裝置技術(shù)方案進行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本實用新型所述的裝置并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，在不背離由所附權(quán)利要求書限定的本實用新型精神和范圍的情況下，不付出創(chuàng)造性勞動而對本實用新型的技術(shù)方案作出各種修改、增加、以及替換所獲得的方案。都應(yīng)屬于本實用新型保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種交直流無延時切換裝置，包括直流輸入端、交流輸入端、總輸出端、檢測控制單兀;直流輸入端的正、負輸入端分別通過一個單向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接；交流輸入端的第一輸入端、第二輸入端分別通過一個雙向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接； 檢測控制單元包括交流電壓檢測電路、直流電壓檢測電路、切換控制電路、以及控制器； 所述交流電壓檢測電路的輸入端接交流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測交流實時電壓并將信號傳輸給控制器；直流電壓檢測電路的輸入端接直流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測直流實時電壓并將信號傳輸給控制器；控制器信號輸出接口接切換控制電路，切換控制電路六個控制信號輸出端分別接交流線路中兩個雙向可控硅的四個控制極和直流線路中兩個單向可控硅的兩個控制極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，該裝置用于AC100V?AC220V交流電源和DC200V?DC290V直流電源之間的切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，所述交流電壓檢測電路和直流電壓檢測電路共地連接；直流電壓檢測采用隔離檢測的方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，切換控制電路包括用于可控硅控制的隔離電源和信號處理電路，其中信號處理電路與交流電源和直流電源之間電氣隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，交流線路中的兩個雙向可控硅的控制電源相互電氣隔離；同時交流線路中的可控硅控制電源與直流線路中的可控硅控制電源相互電氣隔離。
6.一種交直流無延時切換裝置，包括直流輸入端、交流輸入端、總輸出端、檢測控制單兀;直流輸入端的正、負輸入端分別通過一個單向可控娃與總輸出端的第一輸出端和第二輸出端連接；交流輸入端的第一輸入端通過一對反向并聯(lián)的單向可控娃連接到總輸出端的第一輸出端，交流輸入端的第二輸入端通過另一對反向并聯(lián)的單向可控硅連接到總輸出端的第二輸出端； 檢測控制單元包括交流電壓檢測電路、直流電壓檢測電路、切換控制電路、以及控制器； 所述交流電壓檢測電路的輸入端接交流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測交流實時電壓并將信號傳輸給控制器；直流電壓檢測電路的輸入端接直流輸入端，輸出端接控制器的信號輸入接口，用于檢測測直流實時電壓并將信號傳輸給控制器；控制器信號輸出接口接切換控制電路，切換控制電路六個控制信號輸出端分別接交流線路中四個單向可控硅和直流線路中兩個單向可控硅的六個控制極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，所述交流電壓檢測電路和直流電壓檢測電路共地連接；直流電壓檢測采用隔離檢測的方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，切換控制電路包括用于可控硅控制的隔離電源和信號處理電路，其中信號處理電路與交流電源和直流電源之間電氣隔離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，交流線路中的兩個雙向可控硅的控制電源相互電氣隔離；同時交流線路中的可控硅控制電源與直流線路中的可控硅控制電源相互電氣隔離。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交直流無延時切換裝置，其特征在于，該裝置用于AC100V?AC220V交流電源和DC200V?DC290V直流電源之間的切換。
【文檔編號】H02J9/06GK204179742SQ201420494668
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月30日
【發(fā)明者】沈亞斌 申請人:沈亞斌